DE60003892T2 - Wolfram-dotierter tiegel und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Wolfram-dotierter tiegel und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegenden Erfindu ng betrifft einen Wolfram dotierten Tiegel und ein Verfahren zur Herstellung eines Wolfram dotierten Tiegels. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Dotieren der inneren Oberfläche, oder der inneren und der äußeren Oberfläche eines Quarztiegels mit Wolfram zur Erzeugung einer Schicht, die sich bei Verwendung in einem Kristallzüchtungsverfahren ähnlich einer blasenfreien Schicht verhält.
  • Bei der Herstellung von Siliziumeinkristallen, die durch das Czochralski-Verfahren gezüchtet werden, wird zuerst polykristallines Silizium in einem Quarztiegel geschmolzen. Wenn das polykristalline Silizium geschmolzen ist und die Temperatur im Gleichgewicht ist, wird ein Impfkristall in die Schmelze getaucht und nachfolgend wieder herausgezogen, um einen Siliziumeinkristallrohling zu bilden, während der Quarztiegel rotiert wird. Durch die extrem hohen Temperaturen, die während des Rohlingswachstums erreicht werden, wird der Quarztiegel langsam während des Rohlingswachstums an der Grenzfläche Tiegel-Schmelze aufgelöst.
  • Weil das Tiegelmaterial während des Rohlingswachstums extremen Bedingungen ausgesetzt ist, ist hochqualitatives Quarzglas aufgrund seiner Reinheit, Temperaturstabilität und chemischen Widerstandsfähigkeit ein unabdingbares Tiegelmaterial für die Halbleitertechnologie. Zur Zeit werden die meisten Tiegel, die im Czochralski-Verfahren verwendet werden, unter Verwendung einer natürlichen Quarzsandquelle(mined quartz sand source) hergestellt. Es sind unterschiedliche Arten von abgebautem Quarz mit unterschiedlichen Alkalireinheitsgraden und Partikelgrößen erhältlich. Ungeachtet der Art jedoch enthalten diese rohen Materialien Gasbildner oder Prekursoren in zwei Formen. Erstens kann Gas auf der Oberfläche des Quarzsandes adsorbiert werden. Diese Art von Bildner wird im allgemeinen als "Blasenbildner" bezeichnet, da das adsorbierte Gas die Kornoberfläche bei erhöhten Temperaturen verlassen und zur Bildung großer Blasen koaleszieren kann. Die zweite Art von Gasbildnern sind Gase, die im Sandkorn selbst löslich sind. Wiederum kann bei erhöhten Temperaturen das gelöste Gas koaleszieren und Blasen formen. Beispiele von in Quarzsand adsorbierten und löslichen Gasen schließen Stickstoff, Argon, Sauerstoff und andere Gase vom organischen Typ mit ein. Diese Gasbildner, zusammen mit Blasen, die natürlicherweise in verschmolzenen Quarztiegeln vorhanden sind, können zu vielen Problemen bei Kristallzüchtungsverfahren führen und Rohlingsdefekte erzeugen.
  • Unter Verwendung eines Quarztiegels in einem Kristallzüchtungsverfahren können Gasbildner, die sich in der Siliziumoxid(Silica)matrix auf und unter der inneren Oberfläche des Tiegels befinden, koaleszieren und zu Keimbildung und/oder dem Wachstum von Blasen auf der Tiegeloberfläche führen, wobei sie zur Reduktion der thermischen Brauchzeit (usable thermal life) des Tiegels führen. Diese Blasenkeimbildung und/oder das Bläsenwachstum auf der inneren Oberfläche des Tiegels kann zur Bildung von Vertiefungen auf der Quarzoberfläche führen, welche wiederum zur Erzeugung von Partikeln führen kann, welche auch in die Schmelze eindringen können und zu einem Verlust an der perfekten Struktur des wachsenden Rohlings führen. Die gewöhnlich für das Rohlingswachstumsverfahren verwendeten Tiegel können etwa zwanzig Vertiefungen/cm2 auf der Oberfläche enthalten, wobei jede Vertiefung ungefähr 100 bis etwa 400 Mikrometer Durchmesser aufweist. Außerdem können die gebildeten Blasen ihrerseits an der Siliziumschmelze-Kristall-Grenzfläche eingelagert werden, dabei Teil des wachsenden Kristalls werden und zu Hohlraumdefekten im Kristall führen.
  • Um die Funktionalität von in einem Kristallzüchtungsverfahren verwendeten Quarztiegeln zu erhöhen, weisen für das Czochralski-Wachstum von Einkristallrohling typischerweise verwendeten Tiegel zwei ausgeprägte Schichten auf. Die äußere Schicht, welche im Kontakt mit den Graphitheizern, die den Tiegel halten, steht, enthält eine hohe Blasendichte, um den Transfer der Strahlungsenergie zur Schmelze und zum wachsenden Rohling zu regulieren. Die innere Oberfläche des Tiegels, welche im Kontakt mit der Siliziumschmelze steht, enthält eine an Blasen reduzierte Schicht, die gewöhnlich in der Technik als "blasenfreie Schicht" oder "freie Schicht" bezeichnet wird. Diese blasenfreie Schicht ist nicht restlos blasenfrei und kann sich durch die Keimbildung und/oder das Wachstum von Blasen verschlechtern, wenn sie den im Kristallzüchtungsverfahren üblichen Temperaturen ausgesetzt ist, was zu einer limitierten Lebenszeit des Tiegels und einer möglichen Abnahme der Qualität des wachsenden Rohlings führt.
  • Kürzlich wurden viele Versuche gemacht, um auf der inneren Oberfläche des Tiegels eine blasenfreie Schicht zu erzeugen, die weitestgehend frei von Blasen ist. Auch wenn einige Fortschritte bei der thermischen Stabilität der inneren Schicht bezüglich der Bildung von Blasen gemacht wurden, werden immer noch Blasen gebildet und/oder wachsen während des Rohlingswachstums, da die Verfahren, die bis zum heutigen Tag verwendet werden, fehlschlagen, alle Gase zu entfernen, die auf den Quarzkörnern, aus denen der Tiegel besteht, adsorbiert sind oder darin löslich sind. Deswegen verbleibt ein Bedarf für einen Quarztiegel, der eine Schicht auf der inneren Oberfläche aufweist, die weitestgehend frei von Blasen ist, so dass die Blasenbildung und/oder das Blasenwachstum reduziert oder vermieden wird, und folglich die Rohlingsverschlechterung nicht auftritt.
  • Außerdem besteht ein industrieller Bedarf für Quarztiegel, die eine weitestgehend blasenfreie Schicht auf der äußeren Oberfläche aufweisen, so dass während dem Kontakt mit den Graphitheizern während des Rohlingswachstums eine verbesserte chemische Stabilität des Tiegels erreicht wird. Bis heute sind Versuche Stabilität zu gewähren auf die Verwendung von chemischen Barriereschichten beschränkt gewesen, um die Reaktion zwischen dem Quarz und dem Heizer zu minimieren, wobei die chemische Barriere in Form einer nur auf die äußere Oberfläche des Tiegels oder die innere Oberfläche des Heizers aufgebrachten Beschichtung vorliegt, (siehe z. B. PCT-Anmeldung Nr. WO 98/48085). Andere Versuche den Tiegel zu stärken, wurden in Verbindung mit anderen Vorhaben als der Bildung von blasenfreien Schichten gemacht, wie der Limitierung des Sauerstoffgehalts im Siliziumeinkristall durch das Auskleiden des Quarztiegels mit einem hochschmelzenden, gegenüber Silizium inertem Metall, wie Platin oder Iridium (siehe z. B. Japanische Patentanmeldung Nr. 56211164/Veröffentlichungs-Nr. 58115088).
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Zu den Aufgaben der Erfindung zählen daher: Die Bereitstellung eines Verfahrens für die Herstellung eines Quarztiegels, der eine Wolfram dotierte Schicht auf der inneren Oberfläche aufweist, die Bereitstellung eines Verfahrens für die Herstellung eines Quarztiegels, der eine Wolfram dotierte Schicht auf der inneren und der äußeren Oberfläche aufweist, das Bereitstellen eines Verfahrens für die Herstellung eines Quarztiegels, der eine verbesserte thermische Stabilität bezüglich der Bildung und/oder des Wachstums von Blasen aufweist, und die Bereitstellung eines Tiegels, der eine verminderte Reaktivität mit Graphitkomponenten aufweist.
  • Zusammengefasst betrifft daher die vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Quarztiegels, der eine Wolfram dotierte Schicht aufweist. Das Verfahren umfasst das Abscheiden von Wolfram auf einer Oberfläche des Tiegels und das Eindiffundieren des Wolframs in die Tiegeloberfläche in einer Umgebung, die weitestgehend frei von Sauerstoff ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Quarztiegels, der zwei Wolfram dotierte Schichten aufweist. Das Verfahren umfasst das Abscheiden von Wolfram auf der inneren und äußeren Oberfläche des Tiegels und das Tempern des Wolframs in die Oberfläche in einer Umgebung, die weitestgehend frei von Sauerstoff ist.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Quarztiegels, der eine Wolfram dotierte Schicht auf einer inneren Oberfläche aufweist. Das Verfahren umfasst das mit Energie Aufladen bzw. eine Spannung anlegen (eng. energizing) einer Wolframquelle in einer Umgebung, die weitestgehend frei von Sauerstoff ist, um die Quelle aufzuheizen und einen Wolframdampf zu bilden. Die Umgebung, in der die Wolframquelle aufgeheizt wird, ist durch den Innenraum des Tiegels definiert. Die innere Oberfläche wird dem Wolframdampf ausgesetzt, um Wolfram in die innere Oberfläche einzudiffundieren und eine Wolfram dotierte Schichte zu erzeugen.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Quarztiegels, der eine Wolfram dotierte Schicht aufweist. Das Verfahren umfasst das Aufbringen und Trocknenlassen einer Schicht, einer Wolfram enthaltenden Verbindung auf der Oberfläche des Tiegels. Eine Schicht Siliziumoxid (Silika) wird darauffolgend über die Beschichtung aufgebracht und der Tiegel wird bei einer Temperatur zwischen etwa 550°C und etwa 900°C getempert (annealed), um die Verbindung und die Siliziumschicht zu interdiffundieren und eine Schicht in dem Tiegel zu erzeugen, die wenigstens etwa 100 ppba Wolfram enthält.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Quarztiegels, der eine Wolfram dotierte Schicht aufweist. Das Verfahren umfasst das Mischen einer Wolfram enthaltenden Verbindung und eines Siliziumoxid (Silika) enthaltenden Gels und das Aufbringen und Trocknenlassen der Mischung auf einer Oberfläche des Tiegels. Der Tiegel wird dann bei einer Temperatur zwischen etwa 550°C und etwa 900°C getempert, um eine Schicht in dem Tiegel zu erzeugen, die wenigstens etwa 100 ppba Wolfram aufweist.
  • Die Erfindung betrifft ferner einen Tiegel, der eine Wolfram dotierte Schicht auf der inneren Oberfläche aufweist. Die Wolfram dotierte Schicht weist eine Dicke von zwischen 0,1 und 4 Millimeter auf und enthält nicht weniger als etwa 100 ppba Wolfram.
  • Die vorliegenden Erfindung betrifft ferner einen Tiegel, der eine Wolfram dotierte Schicht auf der inneren und der äußeren Oberfläche aufweist. Die Wolfram dotierte Schicht auf der inneren Oberfläche weist eine Dicke zwischen etwa 0,1 Millimeter und etwa 4 Millimeter auf und die Wolfram dotierte Schicht auf der äußeren Oberfläche weist eine Dicke zwischen etwa 0,1 Millimeter und etwa 6 Millimeter auf. Beide Wolfram-dotierten Schichten enthalten nicht weniger als etwa 100 ppba Wolfram.
  • Die vorliegenden Erfindung betrifft ferner einen Tiegel, der ein Wolframdotierungsmittel enthält. Das Dotierungsmittel ist zwischen der inneren Oberfläche und einer zentralen Fläche in dem Tiegel so verteilt, dass die Dichte des Dotierungsmittels von der inneren Oberfläche in Richtung der zentralen Fläche abnimmt, um einen Bereich zwischen etwa 0,1 Millimeter und etwa 4 Millimeter Dicke zu erzeugen, der eine Wolframkonzentration von mindestens 100 ppba aufweist. Außerdem ist das Wolframdotierungsmittel zwischen der äußeren Oberfläche und der zentralen Fläche so verteilt, dass die Dichte des Wolframdotierungsmittels von der äußeren Oberfläche in Richtung der zentralen Fläche abnimmt, um einen Bereich zwischen etwa 0,1 und etwa 6 Millimeter Dicke zu erzeugen, der eine Wolframkonzentration von mindestens 100 ppba aufweist.
  • Die vorliegenden Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, um Wolfram in die Oberfläche eines Quarztiegels einzudiffundieren, um eine Wolfram dotierte Schicht zu erzeugen. Die Vorrichtung umfasst einen horizontalen Träger, um den Tiegel zu unterstützen, eine Wolframquelle, die durch den Träger hindurch und in das Innere des aufliegenden Tiegels hineinreicht, eine Energiequelle, um die Wolframquelle mit Energie zu versehen bzw. um an der Wolframquelle eine Spannung anzulegen (engl. energizing)und aufzuheizen, um einen erhitzten Wolframdampf zu erzeugen, einen Gaseinlass, der in der horizontalen Auflage positioniert ist, um ein Spülgas in den aufliegenden Tiegel einzuführen, und einen Gasauslass, der in der Auflage positioniert ist, um das Spülgas aus dem Inneren des Tiegels zu entfernen.
  • Andere Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung erschließen sich zum Teil und werden zum Teil weiter unten herausgestellt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Abbildung einer Vorrichtung für das Tempern eines Wolframdotierungsmittels in die innere Oberfläche eines Tiegels.
  • 2 zeigt eine Abbildung eines Quarztiegels.
  • 3 zeigt eine Abbildung einer Vorrichtung zum Tempern eines Wolframdotierungsmittels in die innere und/oder äußere Oberfläche eines Tiegels.
  • Entsprechende Referenzkennzeichen zeigen in allen Zeichnungen entsprechende Teile an.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, dass durch das Eindiffundieren einer geringen Menge von Wolframdotierungsmittel in eine Oberfläche eines Quarztiegels bei erhöhter Temperatur, Quarztiegl mit Wolfram-dotierten Schichten auf der inneren Oberfläche oder auf der inneren und äußeren Oberfläche hergestellt werden können, die sich während der Verwendung in einem Kristallzüchtungsverfahren ähnlich einer blasenfreien Schicht verhalten. Überraschend verursacht das Wolframdotierungsmittel in der Quarzmatrix, dass die Blasen in der behandelten Oberfläche des Quarztiegel kollabieren und sich nicht während nachfolgender thermischer Benutzung wiederbilden, ohne Ausdiffundieren von Wolfram aus der Tiegeloberfläche oder Verunreinigung des wachsenden Rohlings, was zu einem Verlust an dislokationsfreiem Wachstum (engt. zero dislocation growth) und/oder der Reduktion der Kristallqualität führen kann. Der Kollaps der Blasen hält Partikel und Blasen davon ab, aus der inneren Oberfläche in die Schmelze einzudringen und die Defektbildung in dem wachsenden Rohling zu verursachen. Außerdem kann der Kollaps der Blasen auf der äußeren Oberfläche die mechanische Belastbarkeit des Tiegels erhöhen und unerwünschte Reaktionen mit den Graphitauflageflächen verringern.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 2 zum Tempern eines Wolframdotierungsmittel in die innere Oberfläche eines Tiegels 4 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Der Tiegel 4, der in 1 gezeigt wird, wird ferner in 2 gezeigt, in der gezeigt wird, dass der Tiegel 2 eine innere Oberfläche 6 und eine äußere Oberfläche 8 aufweist. In 1 umfasst die Vorrichtung 2 einen horizontalen Auflagetisch 10, elektrische Leitungen 12 und 14, die mit einer Energiequelle verbunden sind (nicht gezeigt), eine Inertgaseinlassleitung 16, welche mit einer Inertgasquelle verbunden ist (nicht gezeigt), eine Inertgasauslassleitung 18 und eine Wolframquelle 20. Das inerte Gas entfernt Sauerstoff von der Wolframquelle, um eine unerwünschte Oxidation der Quelle und die Bildung von festen Oxiden zu verringern. Geeignete Inertgase können zum Beispiel Argon, Helium, Xenon und ähnliche umfassen. Der horizontale Auflagetisch 10 trägt den Tiegel, der behandelt wird, und kann zum Beispiel Edelstahl, Glas oder Keramik umfassen. Tisch 10 weist die in seine Oberfläche gebohrten Öffnungen 22 und 24 auf, um der Inertgaseinlassleitung 16 und der Inertgasauslassleitung 18 Zugang zur Umgebung des zu behandelnden Tiegels zu gewähren. Außerdem weist Tisch 10 in seine Oberfläche gebohrte Öffnungen 26 und 28 auf, um den elektrischen Leitungen 12 und 14 Zugang zur Wolframquelle 20 zu erlauben.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird im Inneren des Tiegels ein Wolframdampf erzeugt, wenn die elektrischen Leitungen 12 und 14 mit Energie versorgt werden, um die Wolframquelle 20 zu heizen. Vor dem Erhitzen der Wolframquelle 20 und dem Erzeugen des Wolframdampfes wird inertes Gas in die Umgebung der Wolframquelle 20 durch die Inertgaseinlassleitung 16 eingeführt. Inertgas wird kontinuierlich während des Beheizens der Quelle und der Erzeugung von Wolframdampf in die Umgebung der Wolframquelle 20 eingeleitet. Inertgas wird aus der Umgebung der Wolframquelle durch die Inertgasauslassleitung 18 entfernt. Dieses kontinuierliche Spülen der Umgebung der Wolframquelle 20 entfernt weitestgehend allen Sauerstoff aus der Umgebung der Wolframquelle 20. Der Fluss des Spülgases sollte so sein, dass er ausreicht, um weitestgehend allen Sauerstoff zu entfernen, so dass die Bildung von festen Oxiden weitestgehend ausgeschlossen wird. Es muss angemerkt werden, dass der Fachmann erkennt, dass eine kleine Menge an Dichtungsstoff, wie beispielsweise Vakuumfett, Silikon oder andere geeignete Dichtungsstoffe zwischen dem Tiegel und dem Auflagetisch verwendet werden können um sicherzustellen, dass die Menge an Sauerstoff, die in die Umgebung der Wolframquelle eindringt, reduziert wird. Außerdem kann statt dessen oder in Kombination mit inertem Gas reduzierter Druck verwendet werden, um die Sauerstoffkonzentration im Bereich der Wolframquelle zu reduzieren.
  • Das gasförmige Wolfram, welches durch die beheizte Wolframquelle in der weitestgehend sauerstofffreien Umgebung erzeugt wird, diffundiert in die innere Oberfläche des Tiegels. Die Wolframquelle wird auf eine höhere Temperatur aufgeheizt, was wiederum zu einem Anstieg der Temperatur auf der inneren Oberfläche führt, um die Diffusion zu unterstützen. Die innere Oberfläche des Tiegels wird normalerweise dem Wolframdampf für einen Zeitraum von zwischen etwa 1 Stunde und etwa 10 Stunden, mehr bevorzugt von zwischen etwa 2 Stunden und etwa 8 Stunden, noch mehr bevorzugt von zwischen etwa 4 Stunden und etwa 6 Stunden und am meisten bevorzugt von etwa 5 Stunden ausgesetzt, um auf der inneren Oberfläche des Tiegels eine Wolfram dotierte Schicht zu erzeugen, welche nicht weniger als etwa 100 ppba (parts per billion atomic) Wolfram, vorzugsweise nicht weniger als etwa 200 ppba Wolfram und am meisten bevorzugt nicht weniger als etwa 300 ppba Wolfram enthält. Das Wolfram wird zwischen etwa 0,1 Millimeter und etwa 4 Millimeter in die innere Oberfläche eindiffundiert, um eine Wolfram dotierte Schicht auf dieser Oberfläche zu erzeugen, die die gleiche Tiefe des diffundierten Wolframs aufweist. Wolfram kann in Tiegeln aller Größen eindiffundiert werden, um deren Leistung zu erhöhen. Der Fachmann erkennt, dass durch ein länger andauerndes Tempern, Wolfram tiefer in die innere Oberfläche getempert werden kann, sollte eine kommerzielle Nachfrage entstehen. Die Wolfram dotierte Schicht verhält sich bei der Verwendung in einem Kristallzüchtungsverfahren ähnlich einer blasenfreien Schicht und könnte eine solche sein.
  • Der Fachmann erkennt außerdem, dass das getemperte Wolfram keinen scharfen Übergang von zum Beispiel 100 ppba zu 0 ppba innerhalb des Tiegels erzeugt. Während das Wolfram in die Oberfläche getempert wird, wird ein Gradient erzeugt, und obwohl eine Wolfram dotierte Schicht mit einer Dicke von z. B. 4 Millimeter erzeugt wird, diffundiert etwas Wolfram über diesen 4 Millimeterbereich hinaus in den Tiegel hinein.
  • Der Ausdruck blasenfreie Schicht kann, wie er hier verwendet wird, bedeuten, dass die Schicht völlig blasenfrei ist oder dass sie weitestgehend frei von Blasen ist. Derzeit übliche, analytische Nachweisverfahren zur Identifizierung von Blasen in Quarztiegeln sind in der Lage, Blasen mit einem Durchmesser von etwa 15 Mikrometern nachzuweisen. Wenn Wolfram in die innere Oberfläche eines Tiegels in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bis zu einer Tiefe von zwischen etwa 0,1 Millimeter und etwa 4 Millimeter eingetempert wird, weist der Bereich (Fläche, engt. area) der Wolfram enthält, 0 Blasen pro Kubikmillimeter auf, die einen Durchmesser von mindestens etwa 15 Mikrometer aufweisen. Gleichermaßen enthält der Tiegel nach den für ein Rohlingswachstumsverfahren üblichen thermischen Durchläufen 0 Blasen pro Kubikmillimeter, die einen Durchmesser von mindestens etwa 15 Mikrometer aufweisen. Der Fachmann erkennt, dass, da analytische Nachweisverfahren verbessert werden und damit Blasen mit einem kleineren Durchmesser indentifiziert werden können, es bevorzugt wird, dass die Menge an Wolfram, die in die Oberfläche des Tiegels eingetempert wird, entsprechend angepasst wird, um einen Grad an nicht detektierbaren Blasen in dem Wolfram dotierten Bereich zu erreichen, wie er oben besprochen ist.
  • Wenn der Tiegel, der die Wolfram dotierte Schicht aufweist, nachfolgend in einem Kristallziehverfahren verwendet wird, wird der Tiegel entsprechend den extremen Bedingungen, die für ein Rohlingswachstum notwendig sind, langsam in die Siliziumschmelze aufgelöst. So gelangtdas Wolfram, welches sich in der Quarzmatrix befindet und in die Schmelze aufgelöst wird, in die Siliziumschmelze. Es wurde jedoch gezeigt, dass das Wolfram nicht in den wachsenden Rohling in nachweisbaren Mengen eintritt. Hierfür scheint es zweierlei Gründe zu geben. Da erstens nur eine so geringe Menge an Wolfram für das Eintempern in den Tiegel benötigt wird, um den gewünschten Effekt zu erhalten, ist keine wesentliche Menge an Wolfram in der Schmelze vorhanden. Zweitens tendiert Wolfram aufgrund seines niedrigen Segregationskoeffizienten dazu, im flüssigen Silizium zurückzubleiben und nicht in den wachsenden Rohling einkristallisiert zu werden.
  • Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden werden zu wollen, glaubt man, dass das Eintempern von Wolfram in und unter die Tiegeloberfläche und in das Quarz oder die Siliziumoxidmatrix die Löslichkeit der Blasenbildnergase in der verschmolzenen Quarz- oder Siliziumoxidmatrix selbst signifikant erhöht wird. Diese erhöhte Löslichkeit der Blasenbildner könnte durch das Auftreten einer polyhedralen Umlagerung und nachfolgenden Veränderung der Molekularabstände, welche während der thermischen Behandlung vonstatten geht, verursacht werden. Das eingetemperte Wolfram könnte während der nachfolgenden Hitzebehandlung die Bildung eines ungeordneten Netzwerks von Oktaedern verursachen und so zu beträchtlich leerem Raum in der Siliziumoxidmatrix führen. Dieser leere Raum könnte in signifikanten Veränderungen der Siliziumoxideigenschaften, wie etwa der Diffusion und der Löslichkeit von Gasen in Siliziumoxid, führen. Es erscheint wenigstens so, dass der leere Raum, der durch die polyhedrale Umlagerung erzeugt wird, einigen Einfluss auf die Diffusion und Löslichkeit von Gasbildnern hat, die Blasen während des Kristallwachstumsverfahrens bilden können.
  • In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Wolfram in die innere und/oder äußere Oberfläche eines Quarztiegels eingetempert werden, um eine Wolfram dotierte Schicht auf der inneren und der äußeren Oberfläche zu erzeugen. Das Eintempern von Wolfram in die äußere Oberfläche des Tiegels, um eine Wolfram dotierte Schicht zu erzeugen, kann die mechanische Belastbarkeit des Tiegels erhöhen, um die Deformation des Tiegels während des Rohlingswachstums zu reduzieren. Zusätzlich reduziert eine Wolfram dotierte Schicht auf der äußeren Oberfläche die Reaktivität des Tiegels mit einer den Tiegel tragenden Graphitunterlagenstruktur und setzt daher die Menge an Verunreinigungen, die den wachsenden Rohling und die Siliziumschmelze umgeben, herab.
  • 3 zeigt eine Vorrichtung 40 zum Eintempern von Wolfram in die innere und/oder äußere Oberfläche eines Quarztiegels. Zusätzlich zu den Teilen, die für die Vorrichtung zum Eintempern von Wolfram in die innere Oberfläche eines Quarztiegels in 1 gezeigt werden, umfasst die Vorrichtung 40 einen Behälter 42, ein zweites Wolframelement 44, eine zweite Inertgaseinlassleitung 30, eine zweite Inertgasauslassleitung 32 und einen zweiten Satz Stromleitungen 34 und 36, die mit einer Energiequelle verbunden sind (nicht gezeigt). Der Behälter 42 kann z. B. Glas, Edelstahl oder Keramik umfassen, und sollte gut zu der horizontalen Auflagefläche 10 passen, um einen guten Verschluss zu gewährleisten, so dass das Eindringen von Sauerstoff in den Inertgas-gespülten Bereich verhindert wird. Die zweite Wolframquelle 44 gleicht der oben beschriebenen Wolframquelle, und die Inertgaseinlass- und Inertgasauslassleitungen 30 bzw. 34 spülen den Behälter während des Temperns.
  • Die innere und äußere Oberfläche eines Quarztiegels kann mit der Vorrichtung, die in 3 gezeigt wird, behandelt werden, so dass Wolfram in beide Oberflächen eingetempert wird, um Wolfram dotierte Schichten zu erzeugen. Die innere Oberfläche des Tiegels wird wie oben beschrieben behandelt, so dass die Wolframquelle 20 mit Energie versorgt wird, um Wolfram in die innere Oberfläche des Tiegels bis zur gewünschten Tiefe einzutempern. Die Wolframquelle 44 wird ebenfalls mit Energie versorgt, um Wolfram in die äußere Oberfläche des Tiegels einzutempern. Die Bereiche, welche beide Wolframquellen umgeben, werden während des Beheizens der Quelle kontinuierlich mit Inertgas gespült, um das Vorhandensein von Sauerstoff zu minimieren und die Wahrscheinlichkeit der Oxidation der Quelle und der Bildung von festen Oxiden zu reduzieren.
  • Um das Wolfram in die äußere Oberfläche des Tiegels einzutempern, wird die zweite Wolframquelle mit Energie versorgt und beheizt. Die äußere Oberfläche des Tiegels wird üblicherweise dem gasförmigen Wolfram für einem Zeitraum von zwischen etwa 1 Stunde und etwa 10 Stunden, mehr bevorzugt von zwischen etwa 2 Stunden und etwa 8 Stunden, noch mehr bevorzugt von zwischen etwa 4 Stunden und etwa 6 Stunden und am meisten bevorzugt von etwa 5 Stunden ausgesetzt, um eine Wolfram dotierte Schicht zu erzeugen, die nicht weniger als etwa 10 ppba Wolfram, vorzugsweise nicht weniger als etwa 200 ppba Wolfram und am meisten bevorzugt nicht weniger als etwa 300 ppba Wolfram in der äußeren Oberfläche des Tiegels enthält. Das Wolfram wird zwischen etwa 0,1 Millimeter und etwa 6 Millimeter in die äußere Oberfläche eindiffundiert, um eine Wolfram dotierte Schicht auf dieser Oberfläche zu erzeugen, die eine Tiefe entsprechend der Tiefe des eindiffundierten Wolframs aufweist. Der Bereich, der Wolfram enthält, weist 0 Blasen pro Kubikmillimeter auf, die einen Durchmesser von mindestens etwa 15 Mikrometer aufweisen.
  • Der Fachmann sollte erkennen, dass die äußere Oberfläche eines Tiegels alleine behandelt werden kann, um einen Tiegel erzeugen, der nur in die äußere Oberfläche des Tiegels eingetempertes Wolfram aufweist. Diese Erzeugung einer Wolfram dotierten Schicht alleine auf der äußeren Oberfläche, kann bei der Verwendung der Vorrichtung, die in 3 gezeigt wird, erreicht werden, indem einfach die zweite Quelle für das gewünschte Intervall mit Energie versorgt wird. In dieser Ausführungsform wird nur die äußere Oberfläche getempert, da die Wolframquelle für die Behandlung der inneren Oberfläche nicht mit Energie versorgt wird.
  • In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann Wolfram in die innere Oberfläche oder in die innere und äußere Oberfläche des Quarztiegels durch die Verwendung von Wolfram-haltigen metallorganischen Verbindungen eingetempert werden. In dieser Ausführungsform ist die metallorganische Verbindung eine Lösung einer Wolframverbindung in einem organischen Lösungsmittel. Diese Verbindung wird auf der inneren Oberfläche, der äußeren Oberfläche oder der inneren und der äußeren Oberfläche des Tiegels mit einer Dicke von zwischen etwa 500 und etwa 1000 Ångström aufgetragen und getrocknet. Darauffolgend wird eine Schicht Siliziumoxid auf den behandelten Tiegel aufgetragen, indem ein Siliziumoxidgel (Silicagel) verwendet wird, welches durch Trocknen eine Siliziumoxidschicht (Silikaschicht) bildet. Das Beschichten mit Siliziumoxidgel kann wiederholt werden, um mehrere Schichten zu bilden. Der Tiegel wird dann bei einer Temperatur zwischen etwa 550°C und etwa 900°C für einem Zeitraum von zwischen etwa 1 und etwa 10 Stunden getempert, um die beiden Schichten ineinander zu diffundieren (interdiffundieren), so dass die physikalische Struktur der Siliziumoxidmatrix so verändert wird, dass es, wie oben beschrieben, zu einem Kollaps der Blasen durch die erhöhte Gaslöslichkeit kommt. Während des Temperns werden wenigstens etwa 100 ppba Wolfram in die Tiegeloberfläche eindiffundiert und die organischen Verbindungen verdampft.
  • In einer alternativen Ausführungsform zu den oben beschriebenen Beschichtungsschritten kann das Vermischen von Siliziumoxid und den Wolframverbindungen unter Verwendung von geeigneten Precursorlösungen wie etwa Wolframisopropoxid und Tetraethylorthosilicat verwendet werden. Die vermischten Verbindungen werden nachfolgend wie oben beschrieben erhitzt, um die organischen Verbindungen zu verdampfen und das Wolfram zu tempern, um den gewünschten physikalischen Effekt nach dem Tempern zu erreichen. Zusätzlich kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung eine Mischung von Wolfram und Quarzsand in einem Lichtbogenverfahren verwendet werden, so dass das Wolfram in der Siliziumoxidmatrix zurückbleiben kann. Geeignete Wolframquellen für das Lichtbogenverfahren können Oxide des Wolframs einschließen.
  • In Anbetracht obiger Ausführungen zeigt sich, dass die verschiedenen Aufgaben der Erfindung gelöst werden.
  • Da verschiedene Abwandlungen des oben beschriebenen Wolframdotierungsverfahrens gemacht werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, ist es beabsichtigt, dass alles in der obigen Beschreibung Enthaltene als Illustration und nicht in einer limitierenden Weise interpretiert wird.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Quarztiegels, der eine Wolfram-dotierte Schicht aufweist, wobei der Tiegel eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist, wobei das Verfahren das Abscheiden von Wolfram auf der inneren Oberfläche des Tiegels und das Eindiffundieren des Wolframs in diese Oberfläche des Tiegels umfasst.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das Wolfram auf der inneren Oberfläche des Tiegels abgeschieden und eindiffundiert wird, um eine Wolfram-dotierte Schicht zu erzeugen, die eine Konzentration von mindestens 100 ppba Wolfram und eine Dicke zwischen 0,1 Millimeter und 4 Millimeter aufweist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das Wolfram auf der inneren Oberfläche des Tiegels abgeschieden und eindiffundiert wird, um eine Wolfram-dotierte Schicht zu erzeugen, die eine Dicke zwischen 0,1 Millimeter und 4 Millimeter aufweist, so dass die Fläche (Bereich, engt. area), die das Wolfram enthält, frei von Blasen ist, die einen Durchmesser von mindestens 15 Mikrometern aufweisen.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Quarztiegels, der zwei Wolfram-dotierte Schichten aufweist, wobei der Tiegel eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Abscheiden von Wolfram auf der inneren Oberfläche des Tiegels und Eindiffundieren des Wolframs in die innere Oberfläche und Abscheiden von Wolfram auf der äußeren Oberfläche des Tiegels und Eindiffundieren des Wolframs in die äußere Oberfläche.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, worin Wolfram auf der inneren Oberfläche des Tiegels abgeschieden und eindiffundiert wird, um eine Wolfram-dotierte Schicht zu erzeugen, die eine Konzentration von nicht weniger als 100 ppba Wolfram und eine Dicke zwischen 0,1 Millimeter und 4 Millimeter auf der inneren Oberfläche des Tiegels aufweist und worin Wolfram auf der äußeren Oberfläche des Tiegels abgeschieden und eindiffundiert wird, um eine Wolfram-dotierte Schicht zu erzeugen, die eine Konzentration von nicht weniger als 100 ppba Wolfram und eine Dicke zwischen 0,1 Millimeter und 6 Millimeter auf der äußeren Oberfläche des Tiegels aufweist.
  6. Tiegel, der eine Wolfram-dotierte Schicht auf einer inneren Oberfläche aufweist, wobei die Wolfram-dotierte Schicht auf der inneren Oberfläche eine Konzentration von nicht weniger als 100 ppba Wolfram und eine Dicke zwischen 0,1 Millimeter und 4 Millimeter aufweist.
  7. Tiegel, der eine Wolfram-dotierte Schicht auf einer inneren Oberfläche aufweist und der eine Wolfram-dotierte Schicht auf einer äußeren Oberfläche aufweist, wobei die Wolfram-dotierte Schicht auf der inneren Oberfläche eine Konzentration von nicht weniger als 100 ppba Wolfram und eine Dicke von zwischen 0,1 Millimeter und 4 Millimeter aufweist und die Wolfram-dotierte Schicht auf der äußeren Oberfläche eine Konzentration von nicht weniger als 100 ppba Wolfram und eine Dicke zwischen 0,1 Millimeter und 6 Millimeter aufweist.
  8. Vorrichtung zum Eindiffundieren von Wolfram in eine Oberfläche eines Quarztiegels, um eine Wolfram-dotierte Schicht zu erzeugen, wobei der Quarztiegel eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist, wobei die Vorrichtung umfasst: eine horizontale Auflage, um den Quarztiegel zu tragen, wobei der Quarztiegel auf der horizontalen Auflage so positioniert ist, dass das offene Ende des Tiegels mit der horizontalen Auflage in Kontakt steht, eine Wolframquelle, die durch die horizontale Auflage und in das Innere des aufliegenden Tiegels reicht, eine Energiequelle, um an der Wolframquelle eine Spannung anzulegen (engl. energizing) und um diese zu heizen, um einen erhitzten Dampf zu erzeugen, der Wolfram umfasst, einen Gaseinlass, der sich in der horizontalen Auflage befindet und positioniert ist, um Spülgas in den aufliegenden Tiegel einzulassen, um Sauerstoff aus dem Inneren des aufliegenden Tiegels zu spülen, und einen Gasauslass, der sich in der horizontalen Auflage befindet und positioniert ist, um das Spülgas aus dem Inneren des aufliegenden Tiegels zu entfernen.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8 ferner umfassend: einen Behälter, der den aufliegenden Tiegel umgibt, eine zweite Wolframquelle, die durch den Behälter hindurchreicht, eine zweite Energiequelle, um an der zweiten Wolframquelle Spannung anzulegen und um diese zu heizen, um einen erhitzten Dampf zu erzeugen, der Wolfram umfasst, ein Gaseinlass, der sich in dem Behälter befindet und positioniert ist, um ein Spülgas in die Umgebung einzuführen, die den aufliegenden Tiegel innerhalb des Behälters umgibt, um Sauerstoff aus dem Inneren des Behälters zu spülen, und ein Gasauslass, der sich im Behälter befindet und positioniert ist, um das Spülgas aus dem Inneren des Behälters zu entfernen.
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